整體煤氣化濕空氣透平循環(huán)動態(tài)建模及模型在回路控制平臺研究.pdf

1、整體煤氣化濕空氣透平（Integrated Gasification Humid AirTurbine，IGHAT）循環(huán)是將潔凈煤技術(shù)與濕空氣透平（Humid Air Turbine，HAT）循環(huán)技術(shù)相結(jié)合的新型發(fā)電技術(shù)。該系統(tǒng)比功高、效率高、排放低，同時可以利用中國相對豐富的煤炭資源作為其燃料，是未來發(fā)電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。目前僅有少量成功運行 HAT循環(huán)實驗電站，而 IGHAT循環(huán)則仍處于理論研究階段。因此，建立IGHAT循環(huán)系

2、統(tǒng)仿真平臺，進行相關(guān)的控制邏輯及策略的研究，為未來IGHAT循環(huán)系統(tǒng)的建立提供必要的技術(shù)儲備將有著極為重要的現(xiàn)實意義。本文的研究主要包括以下幾個方面：
　　以Shell氣流床氣化爐為研究對象，分析了氣化爐壓力和流動之間的相互影響，建立了基于容積-阻力特性的氣化爐動態(tài)模型，以狀態(tài)方程的形式求解氣化爐內(nèi)的壓力與流速。通過該模型分析容積慣性對系統(tǒng)壓力、溫度、氣化反應速度等主要物理參數(shù)的影響。同時利用該模型研究氣化爐控制策略，設計煤氣溫度

3、和熱值控制系統(tǒng)，說明非線性多輸入多輸出系統(tǒng)強耦合性給系統(tǒng)控制帶來的問題，分別利用分散 PID控制理論和模糊控制理論設計控制邏輯，其中模糊控制可以將溫度和熱值結(jié)合起來一同進行控制，調(diào)節(jié)速度更快，偏差更小。
　　以填料式飽和器實驗臺為研究對象，進行了空氣加濕實驗，初步討論了其傳熱和傳質(zhì)特性。將基于飽和曲線和工作線的飽和器建模理論推廣至動態(tài)建模，利用飽和器內(nèi)不同水溫對應的實際濕空氣焓和理想飽和濕空氣焓之間的焓差作為熱量傳遞和質(zhì)量傳遞共同

4、的驅(qū)動勢，定義新的通用傳遞系數(shù)來描述這兩個過程，簡化了求解步驟，避免了傳統(tǒng)方法中傳熱和傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗公式的不準確給模型精度帶來的影響。利用實驗結(jié)果分析加濕過程中的空氣參數(shù)與水參數(shù)對通用傳遞系數(shù)的影響，指出水溫和壓力影響的飽和空氣焓是傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動勢，而空氣參數(shù)和氣水流量比對通用傳遞系統(tǒng)的影響更大，利用實驗結(jié)果驗證該思想在飽和器建模過程中的準確性。
　　建立燃氣輪機和換熱器部件模型以及基于模塊化建模理論的IGHAT循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)模型。系

5、統(tǒng)模型是一個非迭代模型，計算速度快，可以滿足實時仿真的要求。以HAT循環(huán)分軸燃氣輪機實驗臺為仿真對象，并對該實驗臺等燃料控制加濕試驗中的加濕、升溫過程進行仿真，指出泄露、散熱和功率損失是影響該系統(tǒng)性能的主要原因，利用仿真模型計算了燃燒室、高壓透平、動力透平的出口壓力、出口溫度等重要參數(shù)的變化規(guī)律和趨勢，其中燃燒室出口壓力在加濕過程中提高3715Pa，出口溫度降低63.2K，該結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合，驗證了模型的準確性。
　　在現(xiàn)有HA

6、T循環(huán)實驗臺的基礎上，添加回熱器、經(jīng)濟器等換熱設備，同時考慮配置氣化爐系統(tǒng)，設計完整的IGHAT循環(huán)系統(tǒng)，建立動態(tài)仿真模型。對燃料切換過程進行仿真，參考整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)的運行經(jīng)驗，結(jié)合仿真結(jié)果，制定IGHAT循環(huán)系統(tǒng)切換煤氣合成氣燃料的最低限制為60kW功率以上。對飽和器起動過程進行仿真，利用迭代學習控制設計前饋環(huán)節(jié)，解決加濕過程中為滿足系統(tǒng)功率控制而導致的震蕩。分析加濕過程對壓氣機喘振裕度的影響，結(jié)果顯示改造為IGHAT循環(huán)后的喘振

7、裕度降至13.7%，雖然依然高于10%的閾值，但比簡單循環(huán)條件下21.19%的喘振裕度已有了明顯的下降，應設計相應的放氣閥以防止喘振的發(fā)生。在以上仿真結(jié)果的基礎上分析，結(jié)合成熟燃氣輪機電站控制經(jīng)驗，初步設計了IGHAT循環(huán)電站控制邏輯及相應策略，包括起動控制、功率控制、燃料切換控制、飽和器控制和壓比控制五大系統(tǒng)。
　　在對 IGHAT循環(huán)系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果分析的基礎上，利用Ovation分布式控制系統(tǒng)平臺進行了控制邏輯組態(tài)，建立IG

8、HAT控制系統(tǒng)的虛擬仿真平臺；以新建的IGHAT循環(huán)動態(tài)實時仿真模型為控制對象，通過二者之間的通信交互，實現(xiàn)模型在回路控制平臺的建立。該控制平臺使用Visual Studio編寫，以MFC為核心分別調(diào)用Ovation API和Windows API，建立可供仿真模型和控制系統(tǒng)同時讀寫的共享內(nèi)存區(qū)，實現(xiàn)仿真模型與控制系統(tǒng)之間的信息交互。最終利用模型在回路控制平臺，進行從空載工況到最大工況的仿真實驗，驗證了相關(guān)控制邏輯在實際工業(yè)控制系統(tǒng)下的